4. Влияние регенеративного подогрева на эффективность впу

Известно, что максимально повысить эффективность турбоустановки можно одновременным повышением начальных параметров пара и понижением давления в конденсаторе турбины. Повышение начальных параметров пара перед турбиной для ВПУ ограничено только прочностными характеристиками конструкции – ведь горение водорода в кислороде происходит при температуре порядка 2500 – 2700 К. А возможность понижения давления в конденсаторе определяется противодавлением и минимальным температурным напором в теплофикационном подогревателе (холодильной машине). Поэтому, если не рассматривать низкотемпературный бинарный цикл, минимальные (предельные) давление и температура в конденсаторе составят 0,1 МПа и 70 °С.

Влияние регенеративного подогрева на эффективность работы ВПУ рассмотрим на примере установки со сверхзвуковой двухступенчатой турбиной и исходными данными: электрическая мощность ; расход пара (парогаза) на турбину ; расход водорода ; низшая рабочая теплота сгорания водорода в кислороде ; давление до и после турбины соответственно , температура до и после турбины соответственно , температура воды перед питательным насосом ВПУ

Поскольку для определения эффективности работы ВПУ нет универсального показателя, то рассмотрим следующие:

коэффициент использования топлива (КИТ)

где – выработка тепловой энергии, МВт; – теплота подводимая к установке, МВт;

удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении

электрический КПД

где - КПД теплофикационной установки;

энергетический КПД [17]

где – эксергия отпущенной теплоты, МВт.

Для удобства дальнейших выкладок, введем понятие степени регенерации ВПУ как отношение теплоты затрачиваемой на регенерацию ( ) к максимальной ( ):

где – энтальпия рабочего тела на входе и выходе из РП соответственно, кДж/кг; - энтальпия рабочего тела на выходе из конденсатора, кДж/кг.

Естественно, что

,

,

где – тепловая мощность, затрачиваемая на теплофикацию, МВт.

Если не рассматривать возможность практической реализации, то в предельном случае при , а при .

Для ВПУ принципиально возможны три варианта использования регенеративной теплоты (или их комбинации):

увеличение температуры парогаза перед турбиной;

уменьшение расхода топлива;

увеличение расхода парогаза за счет увеличения расхода балластировочной воды.

Увеличение температуры парогаза перед турбиной.

Увеличение температуры парогаза перед турбиной с одной стороны приведет к увеличению располагаемой работы в турбине, следовательно, к увеличению электрической мощности, а с другой стороны к уменьшению теплоты на теплофикацию из-за отбора части теплоты на регенерацию.

Температура парогаза, в случае, когда вся теплота регенерации идет на ее увеличение, определяется из балансового уравнения через соответствующее значение энтальпии. Зависимость температуры парогаза перед турбиной от степени регенерации при достоверности аппроксимации описывается уравнением

.

КПД выбранной турбины определяется как функция приведенной окружной скорости по уравнению [18]

.

Здесь , а адиабатная скорость, адиабатная располагаемая работа газа и располагаемая мощность турбины вычисляются по известным формулам:

,

,

где k – показатель адиабаты, R – газовая постоянная.

Эксергия отпущенной теплоты определяется по формуле

где , – среднетермодинамическая температура тепловой сети (холодного источника) и рабочего тела (горячего источника) соответственно, К.

Таким образом, последовательно определяя , , , , и учитывая, что , получаем , и тогда можно определить показатели эффективности как функцию от степени регенерации при изменении начальной температуры пара (парогаза):

Уменьшение расхода топлива.

Если всю регенеративную теплоту использовать для уменьшения расхода топлива, то помимо экономии водорода и пропорционального количества кислорода, это приведет к снижению расхода свежего пара на величину экономии топлива, и, как следствие, к уменьшению электрической мощности установки. А отбор части теплоты на регенерацию приведет к уменьшению теплофикационной составляющей. Проанализируем подобные изменения.

Уменьшение расхода топлива определим как

Тогда , изменение расхода свежего пара (парогаза) на турбину с учетом того, что для стехиометрической смеси отношение массовых расходов кислорода и водорода составляет 8:1, будет , изменение располагаемой мощности турбины определим как , и, для случая уменьшения расхода топлива за счет регенеративной теплоты, получаем показатели эффективности в следующем виде:

Увеличение расхода парогаза за счет увеличения расхода балластировочной воды при регенеративном подогреве приводит к увеличению расхода пара на турбину, следовательно, располагаемой мощности турбины, и соответствующему (равному теплоте регенерации) уменьшению теплофикационной мощности.

В этом случае, расход балластировочной воды можно увеличить на

Расход свежего пара (парогаза) на турбину и располагаемая мощность турбины определятся по формулам и .

Следовательно, для случая увеличения расхода балластировочной воды за счет регенеративной теплоты, получаем показатели эффективности в виде:

Изменение показателей эффективности проиллюстрировано на рис. 9 - 12.

Анализ рисунков позволяет разделить показатели эффективности на две группы. Первая, сюда относятся и , в которой при увеличении – эффективность ВПУ увеличивает ся, и вторая, куда относятся и , где при увеличении – эффективность ВПУ уменьшается. Рассмотрим изменение каждого показателя в отдельности.

КИТ однозначно уменьшается при увеличении степени регенерации для любого варианта использования регенеративной теплоты (рис. 9). Очевидно, это связано со схемой отпуска теплофикационной мощности - теплота на регенерацию может отбираться только из теплофикационного потока. Выделяется вариант с уменьшением расхода топлива - тенденция падения КИТ при увеличении сохраняется, но из-за уменьшения это падение не такое быстрое, как в других вариантах. КИТ является балансовым показателем и учитывает только количественную составляющую работы ВПУ.

Рис. 9. Изменение КИТ

Рис. 10. Изменение y

Рис. 11. Изменение электрического КПД

Рис. 12. Изменение энергетического КПД

Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении для всех вариантов использования регенеративной теплоты увеличивается с увеличением , причем, при (рис. 10). В данном случае, рост происходит из-за увеличения электрической мощности и одновременного опережающего уменьшения отпуска теплоты на теплофикацию. Причем, рост данного показателя является формальным, так как в большей степени спровоцирован не качественными изменениями в ВПУ, а лишь автоматическим уменьшением теплового потребления при регенерации теплоты - . Поэтому для оценки эффективности ВПУ с регенерацией теплоты за счет теплофикационного потока, данный показатель не применим.

Электрический КПД. Очевидно (рис. 11), что в рамках отдельного варианта использования регенеративной теплоты, и фактически равен КПД ВПТ. Но в отличие от , имеет конечный предел, который характеризует совершенство конструкции турбины при максимальном отпуске теплоты. Неудобство применения данного показателя связано с наличием в формуле , который может существенно изменяться в зависимости от вида отпускаемой теплоты: для теплофикационных подогревателей тепловой сети ; для АБХМ при холодоснабжении потребителей , где - холодильный коэффициент АБХМ, зависящий от ее конструкции.

Энергетический КПД ввели для устранения несовершенства КИТ, в числителе которого складываются качественно разные величины – работа и теплота. Для ВПУ (рис. 12) для всех вариантов использования регенеративной теплоты за счет того, что из-за небольшой разности и работоспособность теплофикационного потока достаточно мала, например, при , , в силу чего оценка влияния отпуска теплоты на энергетический КПД затруднительна.

В силу того, что ни один из рассмотренных показателей однозначно не отражает качественную и количественную стороны изменения эффективности ВПУ при регенерации теплоты, то, на наш взгляд, целесообразно применение двух показателей: КИТ – для количественной оценки; энергетический КПД – для качественной оценки совершенства ВПУ.

При практической реализации регенеративного подогрева, из-за конструктивных ограничений для турбины, всегда . Действительно, увеличение диапазона изменения основных параметров, и , потребует применения регулируемого соплового аппарата первой ступени, что, например, для сверхзвуковой турбины конструктивно практически не реализуемо. Поэтому практически достижимая степень регенерации для ВПУ ограничена пределом , а для этого диапазона изменение КИТ и энергетического КПД незначительно.

Таким образом, можно сделать вывод, что реализация регенеративного подогрева для ВПУ возможна не для улучшения энергетической эффективности, а как средство повышения маневренности установки через дополнительное регулирование отпуском энергии различных видов.